先进 3D 打印 CFRP 模具助力 RTM 襟副翼、外骨骼等应用

图片来源：慕尼黑工业大学碳复合材料教席 (LCC) 与 QPoint Composite

慕尼黑工业大学碳复合材料教席 (LCC) 概况

慕尼黑工业大学 (TUM) 机械工程系下的碳复合材料教席 (Lehrstuhl für Carbon Composites, LCC) 成立于 2009 年，由 SGL Carbon（德国威斯巴登）资助。其使命是开展碳纤维增强聚合物 (CFRP) 材料、工艺与应用的研发，含仿真与测试项目。德国大学体系中“教席”指教授及其团队构成的最小单位。LCC 由 Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler 领导，现有 30 名全职研究员。虽 SGL 资助 2016 年结束，LCC 仍保持复合材料研发领先地位，成果包括为多功能机身验证机 (MFFD) 下半部制造模具（见下文侧栏），现已拓展至 3D 打印/增材制造领域。

本文缘起于 CEAD（荷兰代尔夫特）告知 LCC 采购其挤出式 AM flexbot 系统用于机械臂 3D 打印。后续对 LCC 研究员 Patrick Consul 的采访揭示了宝藏级项目群，含清洁天空 2 计划下的 COMBO3D 项目——3D 打印热塑性复合材料 RTM 模具生产热固性复合材料飞机襟副翼，以及 EMOTION 项目——制造清洁天空 2 热塑性复合材料 MFFD 下半部模具，并演示同一机身如何通过原位固实 (ISC) 非高压釜工艺生产。TUM 如何走到今天及未来方向，令人着迷。

MFFD 下半部模具

详见 2020 年 2 月博文“验证 LM PAEK 焊接用于多功能机身验证机”。侧栏摘自 2020 年 2 月论文《多功能机身验证机开发》，作者为 GKN Fokker（荷兰霍赫芬）MFFD 项目经理 Bas Veldman。

MFFD 下半部外壳由热塑性蒙皮组成，经焊接加筋、夹具与框架加强。制造工艺演示包含三关键步骤：

1. 验证机大面积蒙皮的预浸带在平倾斜台上由 NLR 现有激光 AFP 机铺放。
2. 铺层经机械臂吸盘搬运至母模，无加热下披覆成型。
3. 抽真空袋后，蒙皮在高压釜固实。

采用母模固实模具提供比公模简单得多的平坦表面，同时直接控制蒙皮外表面气动约束下的表面质量。

MFFD 项目还要求并行研究非高压釜工艺——特别是原位热塑性复合材料制造，即铺放过程中完成固实，可完全省去高压釜步骤，将制造简化为单步工序。

热塑性机身模具的增强型高压釜内外固实工艺，即 EMOTION（https://cordis.europa.eu/project/id/864474），是清洁天空 2 制造 MFFD 下壳工装的项目。TUM 项目协调员 Patrick Consul 说：“听起来简单，实则极具挑战，因需加热至 400°C，远超 Invar36 无显著 CTE（热膨胀系数）的温度范围。”Invar 因高温固化循环中低膨胀常用于复合材料模具，但其 CTE 随温度升高而增加。“挑战在于，”Consul 指出，“控制 8 米 × 4 米模具与机身蒙皮在固化升温降温过程中的热膨胀。”

增材制造进展

“LCC 有 8-9 人从事增材制造，”Consul 说。他从 LCC 2012 年从 AFPT（德国多特）采购激光辅助热塑性复合材料带铺放机讲起。后引入 Coriolis Composites（法国凯温）设备实现热固性预浸料自动铺丝 (AFP)。2017 年采购首批丝材桌面打印机。“2017 年我加入，协助开发新应用与研究项目，含向清洁天空 2 提交提案。”他解释，清洁天空 2 项目基于公开征集提案 (CFP) 评审立项。LCC 在 CFP08 COMBO3D 与 CFP09 EMOTION 两项目中标，下文详述。

“还有其他项目，一些研究连续纤维增强 3D 打印，”Consul 说。“另一些采用激光集成打印头预热复合基材，在已固实 CFRP 零件上打印，或提升打印层间层间剪切强度 (ILSS)。另一项目探索工装应用，如少量专用复合材料零件。”

“这些项目持续得到数值仿真支持，以预测增材制造件打印中及打印后行为，”他继续道。“LCC 还参与与伦敦帝国学院合作项目，旨在用 3D 打印 CFRP 制造外骨骼。另一项目研究晶格结构，优化 3D 打印件刚度、强度或吸能性能。”

打印设备演进

“我们从 Apium（德国卡尔斯鲁厄）基于 FDM（熔融沉积建模）的简单 3D 打印机起步，打印需高刚度的专用测试夹具，”Consul 解释。“打印尺寸 3 米 × 1 米，材料输出量大以缩短打印时间。虽无法用连续纤维，但专为 PEEK、PEKK 和切碎碳纤维增强 PEEK 设计。不仅有加热床，打印头周围也有加热板，确保打印件温度均匀分布，减少热应力并保证结晶。”

“我们也用过一段时间 Markforged（美国马萨诸塞剑桥）打印机，后来买了 Anisoprint（卢森堡埃施叙阿尔泽特）,” Consul 说。虽 Markforged 支持连续纤维 FDM，LCC 团队决定不保留。“问题在于系统过于封闭,” Consul 解释。“Markforged 切片软件对研究用途太难用，严重限制我们能做的事。只能打印一层连续纤维材料再覆盖一层短纤维热塑性丝材。生成代码的切片器不接受我们的 G 码。无法指挥机器按我们想要的方式在每层放置连续纤维等。”

Markforged 回应称，其系统从未面向研究设计，而是为广泛制造零件设计，利用基于规则的纤维路径规划，配置切片器低工作量、耗时少。其 Eiger 软件允许用户单独配置层，欢迎反馈并优先改善客户体验。

“Anisoprint 采用完全开放的 G 码切片器，给了我们更多工艺控制权,” Consul 说。“它也能打印连续碳纤维，不仅限于二维层，还能打印出-of-plane 的三维曲线。我们有适配小型 Kuka 机械臂的 Anisoprint 打印头，可打印 1 米 × 1 米零件，比多数桌面机大，但对机器人系统仍属小尺寸。”

关于 Anisoprint 双基体热固性-热塑性 (TS-TP) 材料？Consul 回复：TS 丝材与 TP 粘结不错。“初期试验中，因可修改 G 码，我们获得比 Markforged 更高纤维体积含量。Anisoprint 打印头将 TS 丝材推入熔融 TP 后铺放。我们计划用该打印机制造外骨骼零件，是集成高强度纤维的简便途径。”

挤出颗粒打印机

下一阶段进军大尺寸打印机，先短纤增强 TP，后连续纤维 TP。“我们先开发了装在机械臂上的挤出机，随后迅速对 CEAD 设备产生兴趣。希望明年在两系统中都集成连续纤维。”

既然已有机械臂挤出机，为何还要 CEAD 机？“初始挤出机是 Dyze Pulsar 颗粒挤出机测试版，最大输出约 2 kg/h，PAEK 类约 1 kg/h，但碳纤维填充超 20% 即吃力,” Consul 说。“平均输出更低，因机械臂打印中频繁加减速。COMBO3D 初期小尺寸模具半件已需 36 公斤，单半件打印需 48 小时。还需全程盯守，因料线堵塞、零件翘曲等错误随时可能发生。”

因 COMBO3D 最终验证件比初期小件大约 10 倍，初始挤出系统无法胜任, Consul 说。“且 Victrex 供应的部分材料粘度更高，初始挤出机扭矩不足。CEAD 打印机最大输出约 12.5 kg/h，试机几小时后稳定平均输出 5-6 kg/h。小尺寸模具半件 8 小时内打完，可用更高纤维含量减少翘曲，整体工艺更易控制。”

“Pulsar 已让我们用上颗粒料、实现高产出并利用机械臂自由度,” 他续道,"CEAD 打印机将能力拓展至更大零件、更高纤维含量和更广聚合物范围。Pulsar 在产出、喷嘴尺寸及打印细节上填补了丝材打印机与 CEAD 间的空白。”

CEAD AM Flexbot 技术参数

• 颗粒挤出打印：高达 12.5 kg/h（无增强及短纤增强）
• 最高加工温度 450°C
• 构建体积 3000 × 1200 × 1700 毫米
• 构建平台：旋转工作台或平台（可加热）
• 配备铣削头可返工

COMBO3D 项目

该清洁天空 2 项目目标：3D 打印模具生产大型客机复合材料襟副翼验证件 (1.5 × 3 米)，属工作包 A-3.1：高低速多学科机翼。引入增材制造旨在缩短工装交付周期。项目 2019 年 1 月启动，2021 年 3 月结束。合作伙伴包括 Alpex Technologies（奥地利米尔斯）、轻金属能力中心 Ranshofen（奥地利兰斯霍芬）和 Victrex（英国桑顿克利夫利斯），后者供应高性能热塑性聚芳醚酮 (PAEK)。

项目另一关键点：演示该碳纤维/环氧襟副翼可用树脂传递模塑 (RTM) 替代高压釜预浸料制造。RTM 件同在 180°C 固化。为保热稳定性，模具用短碳纤维增强 PAEK 打印，熔点 305°C。

为缩短固化周期，3D 打印模具将集成主动温控。“我们必须比高压釜更快加热和冷却模具,” Consul 指出。“模具表面下 3 毫米布设电加热网，6 毫米处集成打印油/气加热通道。这样既能极快加热表面，又能利用通道加热整个工具体积。目标升降温速率比高压釜快 50%，有信心至少达 30%。”

3D 打印中集成何种加热元件？“我们曾用定制纤维铺放 (TFP) 在玻璃纤维织物上铺放碳纤维粗纱作加热元件，在 CFRP 模具中实现直升机旋翼叶片不同加热区,” Consul 解释。“那是清洁天空 1 项目，与 QPoint Composite（德国德累斯顿）合作完成。COMBO3D 模具将采用类似概念。”

整个印刷工具开发有仿真支撑。工具设计将通过在热仿真中实现加热冷却系统来优化。制造过程也将仿真，通过生成打印过程温度分布知识并与路径规划关联来支持打印过程。

CEAD 设备安装与项目进展

“CEAD 系统交付极快——从下单到安装仅 6 个月,” Consul 说。“此时我们已完成材料测试、设计平板工装并开始打印小件。担心 CEAD AM Flexbot 磨合期长，但首次试机即表现良好。”

何为平板工装？“是个小模具，已集成冷却通道和加热元件，生产 CFRP 板材做允许值测试,” 他解释。“旨在确保我们 3D 打印 CFRP RTM 模具质量可媲美 Saab 高压釜工艺产出的 CFRP。”

项目不幸因 COVID-19 中断,“但现在一切顺利，正在追赶进度,” Consul 说。关于用 PAEK 打印模具？“目前唯一问题是 PAEK 玻璃化转变温度 Tg 130-140°C，低于验证件 180°C 固化温度,” Consul 指出。“还得看在固化温度下能完成多少循环才发生蠕变或表面损伤。”

CEAD 设备在其他项目中的应用？

“我们正申请明年启动的航空航天工装项目，与 GKN Aerospace Deutschland（慕尼黑）合作用 CEAD 机和聚醚砜 (PESU),” Consul 说。[注：GKN 德国生产 A330/A350 复合材料机翼襟翼及庞巴迪环球系列商务机副翼。] “CEAD 负责连续碳纤维机器开发。我们也计划内部用 CEAD 机制作原型 RTM 模具，原本需外包，这能加速工作。”

Consul 指出 PESU Tg 高于 PAEK。“且为非晶非半结晶，打印应更易，但抗蠕变可能成问题。我们要避免 PEI (聚醚酰亚胺)。过去研究过 PEI 与环氧树脂粘结问题。RTM6 [RTM 用环氧] 溶解 PEI，导致两者粘结良好。这正是 3D 打印模具不想要的——模具应脱模不粘件。”

面向工业化(与飞行)的 3D 打印复合材料未来

讨论 LCC 其他增材制造项目时，我问 Consul 什么阻碍 CFRP 用于外骨骼？“外骨骼需适配每位穿戴者，零件专用化导致量不大,” 他答。“我们项目旨在实现患者专用下肢外骨骼部件生产，在 24 小时内完成患者专用外骨骼制造。这些外骨骼将基于生物物理档案和独特康复需求支持中风患者康复。”（见《CW》文章“C-FREX 外骨骼依赖 CFRP…”）

“人们以为 3D 打印能打印任何零件，但首先得有 3D 打印和复合材料经验。例如层间粘结和各向异性问题必须理解。3D 打印复合材料零件设计不会同当前塑料金属零件。”

他指出，用 3D 打印复合材料生产高性能飞机零件仍有问题：如何面向增材制造设计？如何识别增材制造增值的零件？“航空航天工装是我们团队目前关注的主要应用领域,” Consul 说。“打印模具契合度高。模具须承受与零件相同固化条件，但风险低于飞行件。机翼肋加强筋即好例：零件品种多但每件循环少。这是积累技术经验的好途径。直接尝试飞行结构件为时过早。长期以此为目标，但打印工装能让我们用高性能特性稳定 3D 打印工艺，并开发精准预测零件与工艺的仿真能力。”